TEMA 5. ESPECTROMETRIA DE MASAS

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1 TEMA 5. ESPECTROMETRIA DE MASAS 5.0. CARACTERÍSTICAS Y EQUIPOS DISPONIBLES Características más importantes Equipos disponibles en los Servicios Técnicos de Investigación de la Universidad de Alicante 5.1. EL ESPECTRÓMETRO DE MASAS Sistemas de entrada de muestra Entrada por sonda directa Sistemas de entrada cromatográficos Fuentes de iones Fuentes de impacto de electrones (EI) Fuentes de ionización química (CI = Chemical ionisation) Fuentes de ionización a presión atmosférica (API) Fuentes de ionización de campo (FI = Field ionisation) Fuentes de desorción de campo (FD = Field desorption) Fuentes de bombardeo por átomos rápidos (FAB=Fast Atom Bombardment) o iones (SIMS = Secondary ion MS) Sistemas de vacío Analizadores de masa Analizadores de sector magnético Filtros de masas de cuadrupolo Analizador de trampa de iones (IT-MS, ion-trap MS o ITD ion trap detector) Analizador de tiempo de vuelo (TOF, time of flight) Resonancia ciclotrónica por transformada de Fourier (FT- ICRMS Fourier transform ion cyclotron resonance MS) Detectores Detector de copa de Faraday Multiplicador de electrones secundarios Detector "Channeltron" Detector de conversión fotónica (Detector "Daly" o de centelleo) Detectores multicanal Sintonía y calibración de los espectrómetros de masas 5.2. ESPECTROS MOLECULARES DE VARIAS FUENTES DE IONES Espectros de impacto de electrones Espectros de ionización química Espectros usando otras técnicas de ionización blandas 5.3. APLICACIONES Análisis cualitativo: identificación de compuestos puros Determinación del peso molecular Determinación de fórmulas moleculares Análisis cuantitativo: determinación de concentraciones moleculares

2 5.0. CARACTERISTICAS Y EQUIPOS DISPONIBLES Características más importantes Aplicaciones principales: Determinación de la estructura e identidad de compuestos orgánicos. Fenómeno molecular: Ionización y rompimiento de la molécula en fragmentos de iones. Ventajas en el análisis cualitativo: Peso molecular preciso, masas de partes integrantes de la molécula, muy alta sensibilidad, detección de impurezas. Ventajas en el análisis cuantitativo: Alta sensibilidad. Muestra promedio deseable: <1 mg Limitaciones del método: No siempre puede diferenciar entre estructuras isómeras. Limitaciones para la muestra: Ninguna Equipos disponibles en los Servicios Técnicos de Investigación de la Universidad de Alicante Espectrómetro de masas de alta resolución Finnigan modelo MAT95S (Figura 1) de sector magnético para la medida de masas exactas. Esta medida de la masa se puede realizar mediante calibración magnética o eléctrica ("peak-matching"). La introducción de la muestra puede llevarse a cabo mediante sonda de introducción directa (DIP) a la fuente de iones o bien a través de un cromatógrafo de gases modelo HP6890 que a su vez posee un inyector split/splitless. La ionización se puede realizar por impacto electrónico así como por ionización química positiva y negativa. Además de las técnicas de ionización citadas anteriormente, que son las más comunes, se dispone de "FAB" (Fast Atom Bombardment) y de la posibilidad de detección de iones metaestables. Figura 1. Espectrómetro de masas de alta resolución. Finnigan MAT95S Espectrómetro de masas de alta resolución, MICROMASS AUTOSPEC ULTIMA NT (Figura 2), para el análisis de trazas de dioxinas. Sector Magnético Trisector con geometría EBE, de alta resolución y alta sensibilidad, incluyendo cromatógrafo de gases de alta resolución (HP6890) y muestreador automático de

3 líquidos (HP 7683). El sistema de inyección del cromatógrafo de gases además de split/splitless dispone de PTV (programación variable de la temperatura) que permite trabajar con más cantidad de muestra y por tanto aumentar la sensibilidad. Se detectan concentraciones de dioxinas y furanos del orden de 20 fg/ml (ppt). Figura 2. Espectrómetro de masas de alta resolución. MICROMASS AUTOSPEC-ULTIMA NT Sistema acoplado Desorbedor Térmico o Purga-Trampa Cromatógrafo de Gases Espectrómetro de Masas (Figura 3): Cromatógrafo de gases modelo HP/AGILENT TECHNOLOGIES 6890N con inyector para columnas capilares split/splitless e inyector adicional GERSTEL cis 4+(PTV) y sistema de Desorción Térmica Horizontal GERSTEL TDS-2 o sistema de Purga-Trampa TEKMAR DOHRMANN, 3100 Sample Concentrator. Todo el conjunto lleva como detector selectivo un Espectrómetro de Masas modelo AGILENT TECNOLOGIES 5973N con fuente de ionización por impacto de electrones (EI) y analizador de cuadrupolo (baja resolución). El equipo permite realizar la comparación de nuestro espectro problema con una colección de espectros almacenados en la memoria (librería). Con esta técnica se pueden analizar compuestos volátiles y semivolátiles orgánicos de muestras sólidas, líquidas o gaseosas. Figura 3. Sistema acoplado Desorción Térmica o Purga Trampa Cromatógrafo de Gases Espectrómetro de Masas

4 Fisons Instruments modelo MD800 incorporando también de serie un cromatógrafo de gases (split/splitless) modelo GC8000, la fragmentación se produce bien por impacto electrónico o por ionización química positiva o negativa, analizador de cuadrupolo (baja resolución) y también dispone de librería para la identificación de los compuestos. Dispone de un automuestreador AS2000 con capacidad para 90 muestras. Espectrómetro de masas Agilent, modelo 5973 Network, Mass Selective con introducción directa de la muestra a la fuente iónica por medio de la sonda SIS (Scientific Instrument Services) Direct Insertion Probe. (73DIP-1) (Figura 4). El Espectrómetro de Masas está previsto de una única fuente de impacto electrónico así como de un analizador cuadrupolar. Este es un método universalmente empleado en Espectrometría de Masas para analizar compuestos puros. Figura 4. Espectrómetro de Masas con sonda Espectrómetro de masas Agilent 5973N de baja resolución con analizador de cuadrupolo acoplado a un cromatógrafo de gases (Agilent 6890N) para columnas capilares con dos inyectores, uno split/splitless y otro PTV (inyector de temperatura variable). La ionización de las muestras se puede realizar tanto en impacto electrónico como en ionización química positiva o negativa. El equipo incorpora un inyector automático (Agilen 7683) con bandeja muestradora con capacidad para 100 viales. Para la identificación de compuestos se dispone de una librería Wiley. Sistema de espectrometría de masas con analizador de tiempo de vuelo y desorción mediante láser asistida por matriz (MALDI-TOF), BRUKER Daltonics modelo Autoflex (Figura 5). Se utiliza para el análisis de moléculas de peso molecular elevado y termolábiles. El equipo se utiliza para el análisis de macromoléculas y polímeros en general, drogas, metabolitos, péptidos y proteínas

5 . Figura 5. Espectrómetro de Masas MALDI-TOF Un cromatógrafo líquido de alto rendimiento de Agilent modelo 1100 Series acoplado simultáneamente a un detector de longitud de onda variable visible-uv y a un espectrómetro de masas con analizador de trampa de iones (Agilent modelo 1100 Series LC/MSD Trap SL) con posibilidad de realizar MS/MS y rango de masas de 50 a 3000 umas. Este equipo dispone también de automuestreador para 100 muestras. La interfase es intercambiable a elegir entre ionización por electroespray (ESI, el proceso de ionización tiene lugar en la fase líquida) o ionización química a presión atmosférica (APCI, el proceso de ionización tiene lugar en la fase gaseosa) dependiendo fundamentalmente de la polaridad del analito y de su peso molecular. Esta técnica LC/MS es ideal en estudios de alimentos, lípidos, proteínas y aminoácidos, vitaminas, metabolismo de fármacos, estabilidad de productos, elucidación de productos naturales, análisis forense,...así como en la determinación del peso molecular y la estructura molecular de compuestos orgánicos e inorgánicos no volátiles o de elevado peso molecular. Los espectros de masas se obtienen por conversión de los componentes de una muestra en iones gaseosos que se mueven rápidamente y se separan en función de su relación masa-carga. La espectrometría de masas es probablemente de entre todas las herramientas analíticas al alcance del científico la de aplicación más general en el sentido que la técnica es capaz de suministrar información sobre (1) la composición cualitativa y cuantitativa tanto de analitos orgánicos como inorgánicos en muestras complejas, (2) las estructuras de una amplia variedad de especies moleculares complejas, (3) las relaciones isotópicas de los átomos en las muestras y (4) la estructura y composición de superficies sólidas. La ubicuidad de la espectrometría de masas (MS = Mass spectroscospy) se ilustra en la Tabla.1, que muestra el desarrollo de la técnica desde Es interesante obsevar que todas las aplicaciones que se indican todavía se utilizan en los laboratorios modernos

6 Tabla 1. Evolución de la espectrometría de masas En primer lugar, debe señalarse que los pesos atómicos y moleculares utilizados en la bibliografia de espectrometría de masas, y en este capítulo, difieren de los utilizados en la mayoría de los otros métodos analíticos, ya que los espectrómetros de masas discriminan entre la masa de los isótopos, mientras que otros instrumentos analíticos generalmente no lo hacen. Por tanto, se revisarán brevemente algunos términos relacionados con los pesos atómicos y moleculares. Los pesos atómicos y moleculares se expresan generalmente en términos de unidades atómicas de masa (uma). La unidad atómica de masa se basa en una escala relativa en la que la referencia es el isótopo del carbono 12 C, al cual se le asigna una masa de exactamente 12 umas. Así, el uma se define como 1/12 de la masa de un átomo neutro de 12 C. Los espectroscopistas de masas también llaman al uma dalton. Estas definiciones nos llevan a que 1 uma, o 1 dalton, de carbono sea igual a 1 uma = 1 dalton = 1/12 ( 12 g 12 C/mol 12 C/ x átomos 12 C/mol 12 C = x g/átom 12 C = x kg/átom 12 C El peso atómico de un isótopo, tal como el 35 Cl, se puede relacionar con el átomo de referencia 12 C por comparación de las masas de los dos isótopos. Esta comparación revela que el isótopo cloro 35 tiene una masa que es veces mayor que la masa del isótopo del carbono. Así, la masa atómica del isótopo del cloro es masa atómica 35 Cl = dalton x = dalton Debido a que 1 mol de 12 C pesa g, el peso atómico del 35 Cl es g/mol. En espectrometría de masas, a diferencia de lo que ocurre normalmente en química, se está a menudo interesado en la masa exacta m de los isótopos de un elemento o en la masa exacta de los compuestos que contienen un grupo particular de isótopos. Así, se puede tener la necesidad de distinguir entre las masas de compuestos tales como

7 12 C 1 H 4 m = x x 4 = dalton 13 C 1 H 4 m = x x 4 = dalton 12 C 1 H 3 2 H 1 m = x x x 1= dalton Normalmente, en espectrometría de masas, las masas exactas se expresan con tres o cuatro decimales, ya que los espectrómetros de masas de alta resolución tienen esta precisión. En algunos contextos, se usa el término masa nominal, que implica una precisión de un número entero en una medida de masa. Así, las masas nominales de los tres isómeros antes citados son 16, 17 y 17 daltons, respectivamente. El peso atómico o el peso atómico promedio (A) de un elemento en la naturaleza viene dada por la ecuación A = A l p l + A 2 p A n p n donde A l, A 2,..., A n son las masas atómicas en daltons de los n isótopos de un elemento y p l, p 2,..., p n son las abundancias de estos isótopos en la naturaleza. El peso atómico químico es, naturalmente, el peso que interesa a los químicos en la mayoría de las ocasiones. El peso molecular promedio o químico de un compuesto es por tanto la suma de los pesos atómicos químicos para los átomos que aparecen en la fórmula del compuesto. Así, el peso molecular químico de CH 4 es x = daltons. Otro término que se utiliza a lo largo de este capítulo es la relación masa/carga de un ion atómico o molecular. Este término se obtiene dividiendo la masa atómica o molecular de un ion m por el número de cargas z que tiene el ion. Así, para 12 C 1 H 4 +, m/z = /1 = Para 13 C 1 H 4 2+, m/z = /2 = Debido a que la mayoría de los iones en espectrometría de masas tienen una carga unidad, el término masa/carga a menudo se reduce al término más adecuado de masa. Estrictamente hablando, esta abreviatura no es correcta pero se utiliza ampliamente en la bibliografía de espectrometría de masas EL ESPECTRÓMETRO DE MASAS Los fundamentos de las medidas espectrales de masas son sencillos y fácilmente comprensibles; aunque desafortunadamente, esta simplicidad no se extiende a la instrumentación. Un espectrómetro de masas de alta resolución típico es un montaje electrónico y mecánico complejo que es caro (de a euros o más) tanto en términos de adquisición inicial como en operación y mantenimiento. El diagrama de bloques de la Figura 6 muestra los componentes principales de los espectrómetros de masas. El objetivo del sistema de entrada es de introducir una pequeña cantidad de muestra (un micromol o menos) en el espectrómetro de masas, donde sus componentes se convierten en iones gaseosos. A menudo, el sistema de entrada contiene un medio para la volatilización de muestras sólidas o líquidas

8 Figura 6. Componentes de un espectrómetro de masas La fuente de iones de un espectrómetro de masas convierte los componentes de una muestra en iones por bombardeo con electrones, iones, moléculas o fotones. Alternativamente, la ionización se lleva a cabo por energía térmica o eléctrica. En muchos casos el sistema de entrada y la fuente de iones están combinadas en un único componente. En ambos casos, lo que se obtiene es un haz de iones positivos o negativos (frecuentemente positivos) que es entonces acelerado en el analizador de masas. La función del analizador de masas es parecida a la de la rejilla de un espectrómetro óptico. En el primero, sin embargo, la dispersión está basada en las relaciones carga/masa de los iones del analito en vez de en la longitud de onda de los fotones. Existen diversos tipos de espectrómetros de masas, dependiendo de la naturaleza del analizador de masas. A1 igual que en un espectrómetro óptico, un espectrómetro de masas contiene un detector (para iones) que convierte el haz de iones en una señal eléctrica que puede ser entonces procesada, almacenada en la memoria de un ordenador y mostrada o registrada de varias maneras. Un hecho característico de los espectrómetros de masas, que no es común con los instrumentos ópticos (pero que se encuentra en los espectrómetros de electrones), es la necesidad de un sistema de vacio adecuado para mantener bajas presiones (10-4 a 10-5 torr) en todos los componentes del instrumento excepto el procesador de señal y dispositivo de lectura. En la discusión que sigue, se describen primero los sistemas de entrada, los sistemas de vacio y los diferentes tipos de fuentes de iones. A continuación se verán los diferentes tipos de analizadores de masas que dan lugar a diferentes tipos de espectrómetros de masas así como detectores. Finalmente se describen los diferentes espectros producidos según el tipo de fuente de iones así como las aplicaciones de la espectrometría de masas Sistemas de entrada de muestra La finalidad del sistema de entrada es la de permitir la introducción de una muestra representativa en la fuente de iones con la mínima pérdida de vacío. Los

9 espectrómetros de masas más modernos están equipados con dos tipos de entradas capaces de acomodar diversos tipos de muestras, que incluyen sistemas de entrada, de sonda directa y entradas cromatográficas. Figura 7. Esquema de un sistema de introducción de muestra por sonda para introducir una muestra en la fuente de iones (DIP) Entrada por sonda directa Los líquidos y sólidos no volátiles se pueden introducir en la región de ionización mediante un soporte de muestra o sonda, el cual se inserta a través de una camara intermedia de vacío (véase Figura 7). La cámara intermedia está diseñada para limitar el volumen de aire que puede entrar en la región de ionización durante la inserción de la sonda. Las sondas se utilizan también cuando la cantidad de muestra es limitada. Por tanto, los espectros de masas se pueden obtener a menudo con una cantidad de muestra tan pequeña como unos pocos nanogramos. En una sonda, la muestra se pone generalmente en la superficie de un vidrio o en un tubo capilar de aluminio, un alambre fino o una copa pequeña y la sonda se coloca a unos pocos milimetros de la fuente de ionización y de la rendija que conduce al espectrómetro. La baja presión del área de ionización y la proximidad de la muestra a la fuente de ionización a menudo hace posible la obtención de espectros de compuestos inestables térmicamente antes que se descompongan. La baja presión proporciona también una mayor concentración de compuestos relativamente no volátiles en el área de ionización, de modo que, la sonda permite el estudio de materiales no volátiles tales como carbohidratos, esteroides, especies organometálicas y sustancias poliméricas de bajo peso molecular. El requisito principal de la muestra es que alcance una presión parcial de al menos 10-8 torr antes que empiece a descomponerse Sistemas de entrada cromatográficos

10 Los espectrómetros de masas a menudo están acoplados con sistemas cromatográficos de gases o de líquidos de alta resolución que permiten la separación y determinación de los componentes de mezclas complejas. El acoplamiento de una columna cromatográfica a un espectrómetro de masas requiere la utilización de sistemas de entrada especiales, algunos de los cuales se describen a continuación. Cromatografía de gases / Espectrometría de masas. Algunos fabricantes de instrumentos ofrecen equipos de cromatografía de gases que pueden acoplarse directamente con distintos tipos de espectrómetros de masas de barrido rápido. El caudal de las columnas capilares en general es suficientemente bajo como para que la salida de la columna pueda introducirse directamente en la cámara de ionización de un espectrómetro de masas. Desde finales de los años setenta han aparecido en el mercado diversos espectrómetros de masas diseñados específicamente como detectores para cromatografía de gases. Cromatografía HPLC / Espectrometría de masas. Un problema fundamental del acoplamiento de la cromatografia de líquidos con la espectrometría de masas es el enorme contraste que existe entre los volúmenes relativamente grandes de disolvente de la primera y los requerimientos de vacío de la última. Para resolver este problema se han desarrollado diversas interfaces. Algunas de las técnicas de acoplamiento se utilizaron durante un tiempo y hoy están en desuso, como la DLI =Direct Liquid Inlet o la Moving Belt (cinta móvil) Las técnicas que se usan rutinariamente en la actualidad para la introducción y análisis de muestras líquidas por espectrometría de masas pueden clasificarse en dos grupos: las que solo introducen la muestra líquida en la fuente iónica del instrumento tales como las de haz de partículas (PB, Particle Beam) y las que además consiguen la ionización de la misma (TSP = Thermospray o termonebulización, LC-FAB = Liquid chromatography - Fast Atom Bombardment, ESI= Electrospray Ionization). En la Tabla 2 se muestran algunas de las ventajas e inconvenientes de cada una de ellas

11 Tabla 2. Ventajas e inconvenientes de las interfaces LC/MS. Mayor número de estrellas indica mayor rendimiento. Entre paréntesis se indica el rango de la respuesta. Tipo Límite de detección Rango de flujo del LC Tipos de disolventes Muestras semivolátiles Muestras no volátiles / termolábiles Rango pesos molec. DLI ** * *** **** ** ** Cinta ** ***** ***** ***** * *(*) TSP **(**) ***** **** ***** ***(*) ***(*) LC/FAB **(**) * *** **** ***** **** PB ** ***(*) **** ***** *(*) *(*) ESI ****(*) * **(*) **** ***** ***** Fuentes de iones Históricamente, los iones para análisis de masas se producían por bombardeo de los componentes de muestras gaseosas con electrones de elevada energía. A pesar de ciertas desventajas, esta técnica todavía tiene una gran importancia y es en la que se basan la mayor parte de las bibliotecas de espectros. Sin embargo, durante las dos últimas décadas se han desarrollado varias nuevas fuentes de iones que ofrecen ciertas ventajas sobre la clásica fuente de haz de electrones. La Tabla 3 da un listado de estas nuevas fuentes y de las fechas aproximadas en las que empezaron a utilizarse. Normalmente, la mayoría de los espectrómetros de masas comerciales están equipados con accesorios que permiten el uso de varias de estas fuentes intercambiables. Tabla 3. Fuentes de espectrometría de masas

12 Nótese que las fuentes que se indican en la Tabla 3 pertenecen a dos categorías. La primera corresponde a las fuentes de fase gas en las que la muestra es primero volatilizada y a continuación los componentes gaseosos son ionizados de diversas maneras. La segunda categoría de fuentes es la de fuentes de desorción en la que se prescinde de la vaporización de la muestra y en consecuencia, esta técnica requiere siempre la utilización de una sonda de muestra. En este caso, la energía se transmite a la muestra sólida o líquida, de maneras muy diversas produciendo la ionización y la transferencia directa de iones de la fase condensada al estado gaseoso iónico. La mayor ventaja de la ionización por desorción es que permite el examen de moléculas no volátiles y térmicamente inestables tales como las que se encuentran normalmente en bioquímica. Las fuentes de iones se clasifican a menudo en duras o blandas. La fuente dura más importante es la fuente de impacto de electrones, que se discute a continuación. Las fuentes duras comunican energías elevadas a los iones formados de manera que se encuentran en estados vibracionales y rotacionales excitados. La relajación de estos iones produce una gran cantidad de fragmentación y resultan espectros de masas complejos. Por el contrario, las fuentes blandas, tales como las fuentes de ionización química y la de desorción, producen relativamente poca excitación de los iones, de modo que, tiene lugar poca fragmentación, y los espectros son sencillos. Ambos tipos de espectros son útiles. Los espectros sencillos de las fuentes blandas permiten la determinación exacta del peso molecular del analito, mientras que los modelos espectrales más complejos de las fuentes duras a menudo permiten una identificación inequívoca del mismo. A continuación se hace una pequeña descripción de las fuentes más utilizadas actualmente Fuentes de impacto de electrones (EI ) Las tres primeras fuentes que se indican en la Tabla 3 requieren la volatilización de la muestra antes de la ionización. Por tanto, las fuentes de fase gas tan sólo se pueden usar para compuestos estables térmicamente que tengan puntos de ebullición menores de aproximadamente 500 C. En la mayoría de los casos, las fuentes gaseosas están limitadas a compuestos con pesos moleculares menores de aproximadamente 10 3 daltons. La Figura 8 muestra el diagrama de una fuente de iones de impacto de electrones sencilla. Los electrones son emitidos por un filamento caliente de tungsteno o renio y son acelerados por un potencial de aproximadamente 70 V que se aplica entre el filamento y el ánodo. Como se muestra en la Figura 8, las trayectorias de los electrones y las moléculas están en ángulo recto y se cruzan en el centro de la fuente, donde colisionan y tiene lugar la ionización. El producto primario son iones de una única carga positiva que se forman cuando los electrones de elevada energía se acercan suficientemente a las moléculas como para causarles la pérdida de electrones por repulsiones electrostáticas La ionización por impacto de electrones no es muy eficaz y sólo alrededor de una molécula entre un millón experimenta la reacción primaria: M + e - M.+ + 2e - donde M representa la molécula de analito y M.+ es su ion molecular. Como indica el punto, el ion molecular es un ion radical que tiene el mismo peso molecular que la molécula. Los iones positivos producidos en un impacto de electrones son atraídos a través de la rendija hacia la primera placa de aceleración mediante una pequeña diferencia de potencial (normalmente 5 V) que se aplica entre esta placa y los

13 repulsores que se muestran en la Figura 8 En los instrumentos de sector magnético, se aplican potenciales elevados (10 3 a 10 4 V) a las placas aceleradoras, que permiten a los iones adquirir sus velocidades finales antes que entren en el analizador de masas. Figura 8. Fuente de impacto electrónico. Con el objeto de formar un número significativo de iones gaseosos en una proporción reproducible, es necesario que los electrones generados por el filamento de la fuente sean acelerados por un potencial mayor de unos 50 V. La pequeña masa y la alta energía cinética de los electrones resultantes produce aumentos muy pequeños en la energía traslacional de las moléculas con las que chocan. Sin embargo, estas moléculas adquieren estados vibracionales y rotacionales excitados. La subsecuente relajación tiene lugar normalmente mediante una elevada fragmentación, que da lugar a un gran número de iones positivos de varias masas que son menores que (y en ocasiones mayores que) la del ion molecular. Estos iones se llaman iones descendientes o hijos. La Tabla 4 muestra algunas reacciones de fragmentación típicas que se producen después de la formación por impacto de electrones de un ion progenitor de una molécula ABCD. Tabla 4. Algunas reacciones típicas en una fuente de impacto electrónico

14 Fuentes de ionización química (CI = Chemical ionisation) Los espectrómetros de masas más modernos están diseñados para poder intercambiar esta fuente con la de impacto de electrones. En ionización química, las moléculas gaseosas de la muestra (tanto de un sistema discreto como de una sonda caliente) son ionizados por colisión con los iones producidos por el bombardeo con electrones de un exceso de un gas reactivo. Normalmente se utilizan iones positivos, pero la ionización química de iones negativos se utiliza ocasionalmente con analitos que contienen átomos muy electronegativos. La ionización química es probablemente el segundo de los procedimientos más comunes para la producción de iones en espectrometría de masas. Para llevar a cabo experimentos de ionización química, es necesario modificar el área de ionización del haz de electrones que se muestra en la Figura 8 poniendo una bomba de vacío y reduciendo la anchura de la rendija que conduce al analizador de masas. Estas medidas permiten mantener unas presiones de gas reactivo de alrededor de 1 torr en el área de ionización mientras se mantiene la presión en el analizador por debajo de 10-5 torr. Con estos cambios, se introduce un reactivo gaseoso en la región de ionización en una cantidad tal que la relación de concentración entre el reactivo y la muestra sea de 10 3 a Debido a esta elevada diferencia de concentraciones, el haz de electrones reacciona casi exclusivamente con las moléculas de reactivo. Uno de los reactivos más comunes es el metano, que reacciona con electrones de elevada energía para dar varios iones como CH 4 +, CH 3 + y CH 2 +. Los dos primeros predominan y representan alrededor del 90% de los productos de reacción. Estos iones reaccionan rápidamente con moléculas de metano adicionales siguiendo un esquema de reacciones que dan el ion (M + 1) + o el ion (M -1) + de la muestra. Una gran variedad de reactivos, tales como propano, isobutano y amoníaco, se utilizan para la ionización química y cada uno de ellos produce un espectro diferente con un analito dado Fuentes de ionización a presión atmosférica (API) La Ionización a Presión Atmosférica (API) es una técnica de ionización blanda que, al actuar a presión atmosférica, y no en alto vacío como es lo habitual en otras técnicas, consigue un altísimo rendimiento. Como interfase para HPLC, tiene la virtud de aceptar todo el flujo procedente de un cromatógrafo líquido de alta presión convencional, hasta 1 a 4 ml/min., lo que incide favorablemente sobre la sensibilidad del proceso LC-MS. En general, ionizan la muestra a presión atmosférica, eliminan el disolvente, se ioniza el analito y se traslada los iones al MS. En la figura 9 se muestra el mecanismo de evaporación iónica para técnicas a presión atmosférica. Las dos ionizaciones API más comúnmente utilizadas son el Electrospray, (ESI), y la Ionización Química a Presión Atmosférica, APcI. En la ionización ESI se aplica una tensión de 3-6 KV entre el capilar de entrada de la muestra y el contraelectrodo. Por efecto del intenso gradiente de campo eléctrico presente, la muestra emerge del capilar de entrada en forma de un aerosol de pequeñas gotas, que adquieren una carga eléctrica muy elevada. Al avanzar estas gotas por la cámara de desolvatación, llega un momento en que su tamaño es tan pequeño, que las fuerzas culombianas de repulsión entre los iones con múltiple carga generados en su interior son capaces de vencer la tensión superficial, momento en que los iones escapan a la fase gaseosa denominándose a este proceso evaporación iónica. Una característica

15 de esta técnica es que al producir una enorme abundancia de iones con carga múltiple, pueden determinarse masas moleculares de moléculas muy grandes como proteínas. Figura 9. Mecanismo de evaporación iónica para técnicas API. En la ionización APcI el procedimiento de formación del spray es el mismo pero ahora lo que se produce es una fuerte descarga en la fuente que produce un plasma de iones reactivos del disolvente que origina el mecanismo de ionización de la muestra por ionización química (CI), normalmente por adición o cesión de un protón. Este mecanismo, que coexiste con el de evaporación iónica, produce abundantes iones (M+H) + positivos, y (M-H) - negativos Fuentes de ionización de campo (FI = Field ionisation) En las fuentes de ionización de campo, los iones se forman bajo la influencia de un campo eléctrico elevado (10 8 V/cm). Tales campos se producen al aplicar altos voltajes (10 a 20 kv) a emisores especialmente construidos que consisten en numerosas puntas finas que tienen diámetros menores que 1 µm. Estos emisores a menudo adquieren la forma de un fino hilo de tungsteno (10 µm de diámetro) en el cual se han hecho crecer agujas o pinchos microscópicos de carbón por pirólisis de benzonitrilo en un campo eléctrico elevado. El resultado de este tratamiento es la aparición de centenares de micropuntas de carbón que emergen desde la superficie del hilo Los emisores de ionización de campo se montan a una distancia de 0,5 a 2 mm del cátodo, el cual a menudo también sirve de rendija. La muestra gaseosa de un sistema de entrada discreto puede difundirse en el área de campo elevado alrededor de las micropuntas del ánodo. El campo eléctrico se concentra en las puntas emisoras y tiene lugar la ionización vía un mecanismo de mecánica cuántica de túnel en el que los electrones del analito son extraídos por las micropuntas del ánodo. En este caso el analito adquiere poca energía vibracional y rotacional; por lo que tiene lugar poca fragmentación

16 Fuentes de desorción de campo (FD = Field desorption) Los métodos de ionización descritos requieren que los agentes de ionización actúen sobre muestras gaseosas. Tales métodos no son aplicables a muestras no volátiles o térmicamente inestables. Se han desarrollado en las dos últimas décadas un número de métodos de ionización de desorción para tratar este tipo de muestras (véase Tabla 3). Como consecuencia, actualmente se puede obtener información sobre espectros de masas de especies bioquímicas delicadas y especies que tienen pesos moleculares superiores a daltons. Los métodos de desorción prescinden de la volatilización y de la subsecuente ionización. En su lugar, se suministra energía a la muestra sólida o líquida de diversas maneras de modo que se provoca la formación directa de iones gaseosos. Como consecuencia, los espectros aparecen muy simplificados y a menudo consisten sólo en el ion molecular o el ion molecular protonado. En este apartado y en el siguiente se describen algunos de estos métodos. En la desorción de campo, se utiliza un emisor con múltiples puntas similar al descrito en la sección anterior. En este caso, el electrodo se monta sobre una sonda que puede separarse del compartimento de muestra y mojarse con una solución de la muestra. Después la sonda se reinserta en el compartimento de la muestra, la ionización tiene lugar por la aplicación de un potencial elevado a este electrodo. Con algunas muestras es necesario calentar el emisor haciendo pasar una corriente. Como consecuencia puede ocurrir una degradación antes de completarse la ionización Fuentes de bombardeo por átomos rápidos (FAB=Fast Atom Bombardment) o iones (SIMS = Secondary ion MS) Al bombardear la superficie de una muestra sólida con un haz de iones primarios se origina la emisión de iones secundarios característicos de la muestra. El análisis de estos iones secundarios por medio de un espectrómetro de masas constituye la técnica SIMS muy utilizada para analizar superficies sólidas metálicas. Sin embargo la técnica SIMS no ha sido muy utilizada para analizar muestras orgánicas por razones tales como su carácter destructivo, la aparición de cargas superficiales al ser muestras eléctricamente aislantes, etc. Al bombardear la superficie de un líquido con un haz de átomos rápidos se produce la desorción continua de iones característicos del líquido. Si se disuelve una muestra en un disolvente, el bombardeo produce iones moleculares positivos y negativos de la muestra. Esta técnica de bombardeo, que es en realidad una variante de la SIMS, se denomina FAB o bombardeo con átomos rápidos. Las fuentes de bombardeo por átomos rápidos (FAB) han adquirido un papel importante en la producción de iones para el estudio por espectrometría de masas de especies de elevado peso molecular. Con este tipo de fuentes, las muestras en un estado condensado, a menudo en una matriz de una disolución de glicerol, se ionizan por bombardeo con átomos de elevada energía (varios kev) de xenón o argón. Tanto los iones positivos como negativos del analito son expulsados de la superficie de la muestra por un proceso de desorción. Este tratamiento permite un calentamiento muy rápido de la muestra, lo que reduce su fragmentación. La matriz líquida ayuda a reducir la energía reticular, la cual debe ser vencida para que se desorba un ion de la fase condensada y proporcione una manera de eliminar el efecto producido por el bombardeo. Los haces de átomos rápidos se obtienen haciendo pasar iones acelerados de argón o xenón de una fuente de iones, o una sonda, a través de una cámara que contiene

17 átomos de argón o de xenón a una presión de aproximadamente 10-5 torr. Los iones con elevada velocidad experimentan una reacción de intercambio de electrones en resonancia con los átomos sin que se produzca una pérdida sustancial de energía traslacional, de modo que se forma un haz de átomos de alta energía. Los iones de baja energía resultado del intercambio se eliminan rápidamente al ser desviados electrostáticamente. El bombardeo de compuestos orgánicos o bioquímicos por átomos rápidos normalmente produce cantidades significantes de iones moleculares (al igual que fragmentos) incluso para muestras de elevado peso molecular y térmicamente inestables Sistemas de vacío Para que el proceso descrito, que se verifica en el interior del espectrómetro de masas, pueda realizarse con éxito, debe hacerse en un ambiente de alto vacío, donde el recorrido libre medio de las moléculas y de los iones formados sea consistente con la longitud de la trayectoria que deben recorrer en su camino hasta el detector. En otras palabras, si un ión formado en la fuente de ionización debe recorrer una trayectoria de un metro para alcanzar el detector, el interior del espectrómetro por donde debe volar el ión debe estar evacuado a un vacío suficiente para asegurar la ausencia de colisiones en su camino. Los principales tipos de bombas que se utilizan para conseguir el alto vacío en espectrometría de masas son las difusoras y las turbomoleculares sin olvidar las mecánicas o rotatorias que son las que se necesitan para hacer los vacíos preliminares que requieren las difusoras y las turbomoleculares para empezar a trabajar. El principio de funcionamiento de las bombas difusoras de fraccionamiento se muestra en la figura 10. El aceite depositado en la parte inferior de la bomba es calentado por una placa calefactora. Al producirse la ebullición, los vapores de aceite suben por las chimeneas concéntricas hasta encontrarse con una salida lateral escapando en forma de chorro supersónico, yendo a chocar contra las paredes laterales refrigeradas por un circuito de agua, donde condensarán, volviendo a caer al depósito inferior. En su camino hacía la pared atraparán moléculas de aire o cualquier gas presente en el ambiente a evacuar, reduciendo poco a poco la presión. En ciclos sucesivos, el aceite se va fraccionando, quedando la parte más ligera o volátil en la zona exterior, y la más pesada en el interior. Los componentes ligeros que quedan en la zona exterior son fácilmente eliminados por la bomba rotativa de apoyo, mientras que la fracción más pesada y pura del aceite se va concentrando en la zona interior

18 Figura 10. Bombas difusoras de fraccionamiento En cuanto al funcionamiento de las bombas turbomoleculares, figura 11, las aspas del rotor de la bomba están girando a gran velocidad. Cuando las moléculas gaseosas, procedentes de la cámara que se está evacuando a alto vacío, chocan con las aspas, reciben un componente adicional de velocidad en dirección a la cámara inferior, esta cámara está a su vez evacuada por una bomba rotativa mecánica. Si la velocidad de las astas del rotor es del mismo orden que la velocidad de agitación térmica de las moléculas a evacuar, el proceso será muy eficiente, y se conseguirá una buena relación de compresión entre la zona de prevacío y la de alto vacío

19 Figura 11. Bombas turbomoleculares En la figura 12 podemos ver un resumen de las principales ventajas e inconvenientes de estos dos sistemas de bombeo. En cuanto al peligro potencial de contaminación por el aceite de vacío de las bombas difusoras, hoy en día no es un factor a tener muy en cuenta, ya que la utilización de aceites especiales y de sistemas de protección automática contra accidentes de vacío, suministro de corriente eléctrica, o fallos del circuito de refrigeración, hacen de este sistema de bombeo un método muy seguro. Figura 12. Ventajas e inconvenientes del uso de bombas turbomoleculares o difusoras

20 Otro tipo de bombas menos utilizadas son las iónicas, las de sublimación de titanio y las criogénicas todas ellas utilizadas para conseguir condiciones de ultra-alto vacío. En todos los equipos de masas de estos servicos los vacíos están en torno a 10-6 torr Analizadores de masa Para la separación de iones con diversas relaciones masa/carga son posibles varios métodos. Idealmente, un analizador debería ser capaz de distinguir entre diferencias muy pequeñas de masa. Además, los analizadores deberían permitir el paso del suficiente número de iones para dar lugar a corrientes de iones fácilmente medibles. Sin embargo, estas dos propiedades no son totalmente compatibles y siempre se debe llegar a un compromiso en el diseño. La capacidad de un espectrómetro de masas de distinguir entre masas se expresa normalmente en términos de su resolución R, que se define como R = m/ m donde m es la diferencia entre dos picos adyacentes que están resueltos y m es la masa nominal, masa sin decimales, del primer pico (a veces se utiliza en su lugar la masa media de los dos picos). Dos picos se consideran que están separados si la altura del valle entre ellos no es más que un porcentaje de su altura (a menudo un 10%). Así, un espectrómetro con una resolución de 4000 podrá resolver picos que tengan valores de m/z de 400,0 y 400,1 (o 40,00 y 40,01). La exactitud de la masa mide la proximidad del valor registrado de m/z a su verdadero valor. m exact = m verdadera m medida (miliunidades de masa, mmu) ppm exact = ( m exact /m medida ).10 6 (partes por millón, ppm) La resolución que se necesita en un espectrómetro de masas depende en gran parte de su aplicación. Por ejemplo para diferenciar entre iones de la misma masa nominal tales como C 2 H 4 +, CH 2 N +, N 2 + y CO + (todos ellos con 28 daltons de masa nominal pero con masas exactas de , , y daltons, respectivamente) se necesita un instrumento con una resolución de varios miles. Por otro lado, los iones de bajo peso molecular que difieren en una unidad de masa o más [por ejemplo, NH 3 + (m = 17) y CH 4 + (m = 16)] pueden distinguirse con un instrumento que tenga una resolución inferior a 50. Los espectrómetros comerciales son asequibles con resoluciones que van desde aproximadamente 500 a

21 Analizadores de sector magnético Principio de funcionamiento. Los analizadores de sector magnético utilizan un imán permanente o un electroimán para hacer que el haz de iones de la fuente se mueva en una trayectoria circular de 180, 90 o 60 grados. La Figura 13 muestra un instrumento de sector de 90 grados en el que los iones, formados por impacto de electrones, son acelerados a través de la rendija B hacia el tubo analizador metálico, que se mantiene a una presión interna de alrededor de 10-7 torr. Se puede llevar a cabo un barrido de los iones de diferente masa a través de la rendija de salida variando la fuerza del campo del imán, barridos magnéticos, o el potencial de aceleración entre las rendijas A y B, barridos eléctricos. Los iones que pasan a través de la rendija de salida se recogen en un electrodo colector y dan lugar a una corriente de iones que es amplificada y registrada. Figura 13. Esquema de un espectrómetro de sector magnético La capacidad de discriminación de m/z se basa en la variación de la trayectoria de un ión en función del campo magnético de su entorno. La energía traslacional, o cinética, KE de un ion de masa m y carga z en la rendija de salida B viene dada por KE = zev = 1/2 mv 2 donde V es el potencial entre A y B, v es la velocidad del ion después de la aceleración y e es la carga del ion (e = 1, C). Nótese que todos los iones que tienen la misma carga z se supone que tienen la misma energía cinética después de la

22 aceleración independientemente de su masa. Esta suposición sólo es aproximadamente cierta, los iones poseen una distribución estadística de velocidades (rapidez y dirección), que se reflejará en una distribución similar para los iones acelerados. Las limitaciones de esta suposición se discuten en la sección siguiente, que trata de instrumentos de doble enfoque. Debido a que todos los iones que dejan la rendija tienen aproximadamente la misma energía cinética, los iones más pesados deben viajar a través del sector magnético a velocidades menores. La trayectoria descrita en el sector por los iones de una masa y carga dadas representa un balance entre las dos fuerzas que actúan sobre ellos. La fuerza magnética F M viene dada por la relación F M = Bzev donde B es la fuerza del campo magnético. La fuerza centrípeta resultante F c, viene dada por F c = mv 2 /r donde r es el radio de curvatura del sector magnético. Para que un ion atraviese la trayectoria circular hasta el colector, es necesario que F M y F c, sean iguales. Así, resulta Bzev = mv 2 /r la cual reordenando y sustituyendo se obtiene v = Bzer/m m/z= B 2 r 2 e/(2v) Está es la ecuación fundamental de la separación magnética. Dicha ecuación revela que los espectros de masas pueden obtenerse variando una de las tres variable (B, V o r) mientras se mantienen las otras dos constantes. Los espectrómetros de masas de sector más modernos contienen un electroimán en el que los iones se separan manteniendo V y r constantes mientras se varía la corriente en el imán y por tanto B, barridos magnéticos o manteniendo constante la corriente del imán, B, y r y variando el potencial V(voltaje de aceleración), barridos eléctricos. Geometrías especiales. Los instrumentos de sector magnético discutidos en la sección anterior se llaman a menudo espectrómetros de enfoque simple (figura 14). Esta terminología se utiliza porque un conjunto de iones que salen de la fuente con la misma relación masa/carga pero con una distribución direccional algo divergente estarán afectados por el campo magnético de tal manera que se produce una distribución direccional convergente cuando los iones dejan el campo. La habilidad de un campo magnético para conducir iones con orientaciones direccionales diferentes hacia el foco significa que la distribución de energías traslacionales de los iones que dejan la fuente es el factor responsable que limita la resolución de los instrumentos de sector magnético (R < 2000)

23 Figura 14. Analizador magnético de simple enfoque La distribución de energías traslacionales de los iones que dejan la fuente proviene de la distribución de Boltzmann de energías de las moléculas a partir de las que se han formado los iones y de las heterogeneidades en la fuente. La distribución de energías cinéticas produce un ensanchamiento del haz que llega al detector y por tanto una pérdida de resolución. Con el objeto de medir las masas atómicas y moleculares con una precisión de unas pocas partes por millón, es necesario diseñar instrumentos que corrijan tanto las distribuciones direccionales como las de energía de los iones que dejan la fuente. El término doble enfoque (Figura 15) se aplica a los espectrómetros de masas en los cuales las aberraciones direccionales y las aberraciones de energía de una población de iones se minimizan simultáneamente. El doble enfoque se consigue utilizando combinaciones seleccionadas cuidadosamente de campos magnéticos (deflectores magnéticos) y electrostáticos (sectores electrostáticos). Normalmente para conseguir alta resolución se coloca antes o después del sector magnético un analizador electrostático que enfoca a la rendija de salida sólo los iones portadores de una energía translacional en un margen muy cercano a V y rechaza los iones cuyas energías son distintas a V. Los iones de energía correcta describirán una trayectoria de radio r que les permite atravesar la rendija de salida, mientras que los iones de energía diferente seguirán trayectorias de menor o mayor radio, por lo que serán rechazados. En la geometría de doble enfoque convencional, el analizador electrostático se sitúa en primer lugar, antes del analizador magnético. En el caso contrario, la geometría se denomina geometría inversa. Cada una de estas geometrías tiene sus ventajas por lo

24 que se han desarrollado geometrías de triple sector (figura 16) que permiten reunir en un solo equipo las virtudes de ambas. Figura 15. Analizador magnético de doble enfoque Una amplia variedad de espectrómetros de doble enfoque son asequibles comercialmente. El más sofisticado de estos es capaz de una resolución del orden de También se pueden adquirir instrumentos de doble enfoque más compactos (y más baratos). En estos instrumentos son usuales resoluciones de A menudo se utilizan como detectores para columnas cromatográficas

25 Figura 16. Analizador magnético trisector Filtros de masas de cuadrupolo Los espectrómetros de masa de cuadrupolo son normalmente más compactos, menos caros y más robustos que los de sector magnético. También ofrecen la ventaja de emplear tiempos de barrido bajos (esto es, < 100 ms), lo que es particularmente útil para realizar barridos de picos cromatográficos a tiempo real. Los analizadores de cuadrupolo son actualmente los de utilización más frecuente. Un instrumento de sector magnético dispersa simultáneamente todos los iones en función de la relación m/z, de la misma manera que una red de difracción dispersa simultáneamente un espectro de radiación electromagnética en función de la longitud de onda. En contraste, un cuadrupolo es parecido a un filtro de banda estrecha variable, ya que en unas determinadas condiciones de operación transmite sólo iones de un pequeño intervalo de relaciones m/z. Todos los otros iones son neutralizados y eliminados como moléculas sin carga. Variando las señales eléctricas de un cuadrupolo es posible variar el intervalo de valores m/z transmitidos, haciendo así posible el barrido espectral. Debido a que los cuadrupolos funcionan por eliminación selectiva de iones, se llaman a menudo filtros de masas, en vez de analizadores de masas. La Figura 17 muestra un diagrama simplificado de un espectrómetro de masas de cuadrupolo. La parte más importante del instrumento es el conjunto de cuatro barras cilíndricas de metal que sirven de electrodos del filtro de masas. Los iones de la fuente son acelerados por un potencial de 5 a 15 V e introducidos en el espacio entre las barras

26 Las barras opuestas se conectan eléctricamente, un par al polo positivo de una fuente variable de corriente continua y el otro par a la terminal negativa. Además, se aplican a cada par de barras potenciales variables de corriente alterna de radiofrecuencia, que están desfasados 180 grados. Las barras cilíndricas son normalmente de 6 mm de diámetro y raramente tienen más de 15 cm de longitud. Están sujetas rígidamente sobre soportes cerámicos construidos con precisión que proporcionan una buena estabilidad mecánica aunque cambie la temperatura. Para entender la capacidad de filtración de un cuadrupolo, es necesario considerar el efecto de los potenciales de corriente continua y de corriente alterna sobre la trayectoria de los iones cuando pasan a través del canal entre las barras. Las ecuaciones diferenciales que se necesitan para describir el comportamiento de los iones de distinta masa en un cuadrupolo son complejas y dificiles de tratar analíticamente y están fuera del alcance de este texto. Por ello debe bastar entender que para que un ion atraviese el cuadrupolo hasta el detector, debe tener una trayectoria estable en los dos planos formados por cada par de electrodos opuesto. El ión debe de ser suficientemente pesado para no ser eliminado por el filtro de paso de masa elevada en uno de los planos y suficientemente ligero para no ser eliminado por el filtro de masa baja en el otro plano. El cuadrupolo total transmite una banda de iones que tienen un intervalo limitado de valores de m/z. El centro de esta banda puede variarse ajustando los potenciales de corriente alterna y continua. Figura 17. Espectrómetro de masas de cuadrupolo La aplicación a cada par de barras opuestas de un voltaje y una radiofrecuencia posibilita un control de la trayectoria de los iones. Esto permitirá al ión m/z seguir una trayectoria rectilínea y cruzar el túnel alcanzando el detector, mientras que las demás masas, al ser inestables sus trayectorias, no alcanzan el detector, siendo desviadas fuera del conjunto de barras. Diversas casas comerciales fabrican los espectrómetros de masas de cuadrupolo. Estos instrumentos resuelven fácilmente iones que tienen una diferencia de masas de la unidad. Las ventajas de los espectrómetros con analizador de cuadrupolo respecto a los